7.3. Ізопроцеси у газах

Термодинамічною системою називається будь-яка фізична система, яка складається з великого числа атомів і молекул, які здійснюють невпорядкований тепловий рух і, взаємодіючи між собою, обмінюються енергією. Будь-яка зміна в термодинамічній системі, яка пов`язана із зміною хоча б одного з термодинамічних параметрів (p, V, T) стану системи, називається термодинамічним процесом. Ізопроцесами у газах називають термодинамічні процеси, які відбуваються при постійному значенні одного з параметрів стану системи (p, V, T).

Рівноважними (квазістатичними) називаються такі процеси, під час яких зміна стану системи відбувається дуже повільно і система проходить неперервний ряд нескінченно близьких рівноважних термодинамічних станів, тобто час переходу значно більше часу релаксації системи.

Нестатичними називаються такі процеси, під час яких час переходу значно менше часу релаксації системи. Розглянемо закони ідеального газу, які були отримані дослідним шляхом.

Ізотермічний процес – це процес, що відбувається при постійній температурі T = const (рис. 6.2). Бойль і Маріотт (Р. Бойль (1627 – 1691), Маріотт (1620 – 1684) довели, що для даної маси газу (m) при постійній температурі (T) добуток тиску на об'єм є величина стала. У цьому процесі параметри р і V змінюються обернено пропорційно:

(7.10)

Ізобаричний процес у газах – це процес, що відбувається при постійному тиску (p = const) (рис.6.3). У цьому процесі параметри V і T змінюються прямо пропорційно,

Гей-Люссак довів, що в ізобарному процесі (p = const) для даної маси газу при постійному тиску об'єм газу змінюється пропорційно до температури:

(7.11)

де об’єм газу при нормальній температурі; температурний коефіцієнт. Виявилось, що для всіх газів він дорівнює.

У 1848 р. Уільям Томсон (1824–1907) ввів поняття абсолютної температури :

(7.12)

Тоді закон Гей-Люссака формулюється так: для даної маси газу

при постійному тиску відношення об'єму до температури є величина стала:

. (7.13)

При ізохорному процесі (V = const) ідеальний газ підпорядковується закону Шарля (1746-1823): для даної маси газу при постійному об'ємі відношення тиску до температури є величина стала:

. (7.14)

Графіки ізопроцесів показані на рис. 7.2, 7.3, 7.4.

p

На рис. 7.3 і 7.4 графіки починаються пунктирними лініями, тому що гази при низьких температурах, близьких до абсолютного нуля, перебувають у рідкому або твердому стані.

p ізотерма T = сonst 0 V Рис. 7.2

Vізобара p = сonst T Рис. 7.3

p ізохора V = сonst 0 Т Рис. 7.4

Абсолютний нуль – це температура, при якій тиск газу стає рівним нулю, тому що припиняється поступальний і обертовий рух молекул. Залишаються тільки так звані «нульові» коливання молекул речовини.